金属波纹管桥涵施工及应用技术探索

金属波纹管桥涵施工及应用技术探索
——鹤壁市公路管理局一、概述
钢波纹管涵在国内已使用多年，最初在青藏铁路和公路中研究应用，目前已在多种地质地形情况下应用，并取得了良好的经济与社会效益。

也逐渐为交通业内人士认可并推荐，在各等级公路桥涵项目中发挥它的专长，国内先后制定了交通运输行业标准《公路涵洞通道用波纹钢管（板）》（JT/T 791-2010）及《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T F50-2011）有波形钢涵洞章节。

鹤壁市公路管理局在国道107改建工程和新老区快速通道北延工程中都使用了钢波纹管涵洞，取得了较好的社会效益和经济效益。

下面将钢波纹管涵洞的使用情况做一下介绍。

二、波纹钢管板的规格、分类、材料、性能、检测
1、分类
公路涵洞、通道用波纹钢构件可分为螺旋波纹钢圆管、环形波纹钢圆管和用波纹钢板件拼装成的圆形或拱形结构。

环形波纹钢圆管
波纹钢板件
主要技术指标：
波纹板件长度Lc—曲面波纹板件的弧长
波距L—相邻两个波峰之间的距离
波高d—波峰与波谷之间的垂直高度
壁厚t—波纹管的壁厚或波纹板件的板厚
内径D—波纹管直径（净内径）
2、产品规格系列
螺旋波纹钢圆管、环形波纹钢圆管、波纹钢板件的波形尺寸规格单位为毫米
3、材料
3.1主体结构材料
螺旋波纹钢圆管、环形波纹钢圆管、波纹钢板件的材料采用碳素结构钢时，其性能应符合GT/T 700要求，抗拉强度不小于350MPa。

波纹钢管所用的钢板、钢带应符合GB 912或GB/T 3274的规定，其尺寸、外形、重量及允许偏差应符合GB/T709的规定。

采用连续热镀锌钢板及钢带加工波纹钢圆管、波纹钢板件时，其性能、尺寸、外形、重量及允许偏差应符合GB/T 2518规定，抗拉强度不小于350 MPa。

3.2连接件
连接件采用扭剪型高强度螺栓、螺母，强度等级不低于8.8级，其性能指标应符合GB/T1231的要求。

高强度螺栓、螺母规格为M12、M16、M20，螺栓长度宜为30mm—60mm。

结构用高强度垫圈应符合GB/T1231的要求。

管箍、法兰盘的材料采用碳素结构钢。

其性能应符合GB/T700要求，抗拉强度不小于350MPa。

法兰盘用角钢尺寸、重量及允许偏差应符合GB/T 706 的规定。

3.3焊接材料
焊接材料号采用的型号应符合GB/T122467.1的要求。

3.4密封材料
管箍与管节之间、法兰盘之间、翻边接合面之间以及搭接的波纹钢板件之间采取密封措施。

密封料应具有弹性和不透水性，并应填塞紧密。

低温条件下密封材料应具有良好的抗冻、耐寒性能。

密封料可采用天然橡胶、聚乙烯泡沫或耐候密封胶。

4、加工和性能
4.1、加工
环形波纹钢圆管每节的长度和波纹钢板件长度和宽度根据钢板尺寸及吊装、运输和拼装条件等确定。

加工时，环形波纹钢圆管的法兰盘圆周边均匀布设单排螺栓孔，孔位、孔距根据设计确定。

波纹钢板件根据设计的弧长、波形参数等确定螺拴孔位，螺栓孔位置应偏离最大应力集中区。

波紋钢板件拼装时，板件之间应采用搭接，并用高强度螺栓连接，不得采用焊接。

4.2、性能
采用螺旋波纹钢圆管、环形波纹钢圆管管节时，应具有足够的刚度。

管节的刚度用柔度系数FF表示，不宜大于规范提供的参考值。

4.3、防腐
采用碳素结构钢的波纹钢圆管、波纹钢板件和管箍、法兰盘及高强度螺栓、螺母，出厂前应进行热浸镀锌防腐处理：
采用连续热镀锌钢板及钢带加工波纹钢圆管、波纹钢板件，其加工后的有效锌层厚度和质量不应低于规范规定的要求。

镀锌基础上可采用涂装或喷涂沥青等非金属覆盖层。

当采用喷涂沥青时，沥青涂层的厚度应为0.5mm—1mm，涂层应均匀光滑、连续，无肉眼可分辨的孔隙、裂缝、脱皮及其他缺陷。

5、检测
5.1外观质量要求
波纹钢涵洞、通道构件的外观质量应符合下表规定。

5.2、检验规则
产品应进行出厂检验，项目按规定的内容进行。

产品需经检验合格并附有质量检验合格证方可出厂。

现场成品抽检以一个供货批量为一批。

从每批产品中随机抽取一个管节、一片板件进行检验。

检测结果以符合相关质量要求作为判定合格依据。

5.3 标志、包装、运输与储存
每个涵洞、通道构件应附有安装说明。

产品上至少应注明：名称、型号、生产日期、厂名、外形尺寸和执行标准编号。

波纹钢管（板）储存和运输时，波纹板应按同规格、同曲度进行叠放；波纹管应安全叠放。

运输时应注意镀锌层的保护，必要时应增加垫层。

搬动过程中应小心轻放，避免与坚硬尖锐物品混装，避免剧烈冲击，禁止摔、抛、扔，不得损伤镀锌层。

波纹钢管（板）应储存于无腐蚀、无粉尘、干燥、通风良好的室内环境。

三、波纹钢管涵洞的技术指标和设计要点
（一）技术指标
鹤壁市新老区快速通道北延工程K25+140涵洞
1、涵洞孔径：2-4米
2、涵洞交角：10°
3、设计荷载：公路-Ⅰ级
4、地基容许承载力：220KPa以上
5、涵洞长度90.96米
（二）设计要点
1、工程情况：钢波纹管涵洞，直径D=4m；波距L=150mm；波高d=50mm；厚度t=6.5mm；填石高度H=19m
2、荷载计算
设计荷载主要考虑管顶以上填土高度恒载和行车荷载的综合作用，恒载用DL 表示，动载用LL 表示。

实际工程中荷载系数K 取0.86。

总荷载V P 。

V P (DL LL)K =+，
V P (DL LL)K =+=0.86*（494 KN/m
2
+2.63 KN/m 2）=427.1018 KN/m 2
3、环向压力
为适应管材管壁受到径向压力下产生的变形，管结构必须有足够的强度。

管壁应力的容许值一般是由室内破坏性试验获得。

波纹管所能承受的总压力V P 的选取要考虑波纹管的抗变形能力，以确定钢波纹管的环向设计压力。

波纹管涵的直径为D
作用于管面的应力V P 和波纹管环向压力C 之间的关系为：
/2V C P D =⨯=427.1018 KN/m
2
*4m/2=854.2036KN/m=854.2036
Kg/cm
4. 极限应力计算
结合本工程实际情况，涵管D=4m ；波纹形状150mm*50mm 壁厚为6.5mm 的钢波纹管管取r =17.375mm （r 为波纹管涵的截面回转半径）。

即D r =4000/17.375=230.22<294，故取容许管壁应力230b f =MPa 。

当取安全系数为2时，极限应力的计算值为：
c b f f ==230/2 MPa=115 MPa=1150 kg/cm
2
5. 波纹管涵强度校核
根据设计要求，必须使得设计应力c P ≦c f ，而环向压力C 和设计应力c P 有如下关系，即
22/k 1150/12.1073796
.0854.2036p cm g cm kg A C c <===
故采用波形150mm*50mm ，直径D=4m ，厚度t=6.5mm 的钢波纹管涵洞在19m 填土高度公路—I 级荷载作用下能够满足截面强度要求。

6. 施工刚度
考虑到钢波纹管涵制作和安装的方便，在无支撑时不至于产生较大变形，波纹管结构需要达到一定的刚度要求。

柔度系数FF 。

2/FF D EI
=
本工程中采用波形150mm*50mm ，直径D=4m ，厚度t=6.5mm 的钢波纹管涵洞，I=2463 mm4/mm ，E 取21×104 kg/cm2。

根据设计与施工要求，须满足：FF ≦0.114，则
114
.0031.02463
10214000EI D FF 422<=⨯⨯==
本工程中波纹管能够符合施工的刚度要求。

三、钢波纹管桥涵的施工安装技术要求
（一）、施工工艺流程图
（二）、施工工艺要求
1、基础部分
1.1、基坑开挖应以拟建的钢波纹管涵为三倍于钢波纹管涵的宽度为宜。

如因工地过小不得以时至少应确保跨径以外1.2m以上的作业空间。

这样即方便组装，又利于钢波纹管涵周围的回填及密实。

1.2、地基要对整个钢波纹管涵保持均匀的承载力。

要避免软弱基和岩基交叉的地基，如果实在不可避免软弱地基要用优质砂石及砾石压实成形，岩石地基挖掘后用沙砾重新换填，厚度至少20cm，尽量减少整道涵洞的沉降量。

1.3、基础的厚度从钢波纹管涵的底部算起30-80cm左右为宜，用透水性好，粒度分布良好的沙质土或沙砾或碎石土成形，密实度达到设计要求。

材料的最大粒径不得超过波长的1/2或不大于50mm。

1.4、与波纹钢板接触部分要铺设厚度7-15cm的粗砂垫层，其最大粒径为12mm。

1.5、并按照涵管安装要求在基础上预留0.3-1‰的预拱度埋设于一般土质地基上的波纹管，经过一段时间后，常会产生一定的下沉，而且往往是管道中部大于两端。

因此，铺设于路堤下的波纹管的管身要设置预留拱度。

其大小根据地基土可能出现的下沉量，涵底纵坡和填土高度等因素综合考虑，通常可为管长的0.3%～1%，最大不宜大于2%，以确保管道中部不出现凹现或滑坡。

如（图）
（图）
2、金属波纹管的质量要求：
2.1、波纹钢板件材料性能应符合GB/T 2518 规定，波形尺寸规格（波形、波距、波高、壁厚、波峰波谷半径等）应满足设计要求，波纹钢板件长度和宽度根据尺寸及吊装、运输和拼装条件等确定。

波纹管钢板件和高强度螺栓、螺母，出厂前应进行热镀锌防腐处理。

每道金属波纹管出厂时，必须经出厂检验并附有产品合格证书。

2.2、金属波纹管和板件在运输、装卸过程中，均应小心，切忌滚动或碰撞硬物，不能敲打，以避免波纹管壁变形或损伤镀锌层。

运到工地的管节应采取防护措施，避免波纹管被雨水浸泡、变形。

2.3、运至施工现场后，必须逐块检查其几何尺寸，并从每批产品中随机抽取一片板件和高强螺栓对其进行规格尺寸、防腐、强度等项目的检验，其检验数据应满足JT/T 791-2010 《公路涵洞通道用波纹钢管（板）》之相关要求。

3、钢波纹管涵的安装
3.1、安装的形式和方法：
对整体式波纹钢圆管节的纵向连结，由专业人员利用管节端部连接法兰盘，采用高强螺栓现场拼装而成。

管涵设计内径大于2000mm，不宜采用整体式波纹钢圆管，应采用波纹钢板件现场进行拼装对拼装板的横向及纵向连接，由专业人员利用板边上的预留螺孔，采用高强螺栓现场搭接拼装而成。

管箍与管节之间、法兰盘之间、翻边接合面之间以及搭接的波纹钢板件之间应采用密封措施，以防漏水。

拼装金属波纹管时，汇集在任何一点上的板块数不应多于3块，板块接头应
尽量错开。

3.2、安装前的准备工作
安装前备齐安装工具、起吊设备、套筒扳手、定扭电动扳手、定扭扳手。

备足脚手架、跳板、电源等设备。

3.3、安装操作方法
①安装前检查波纹钢板管涵底部平整度、标高；确定涵管的位置、中心线。

②拼装底板：以中心轴线的中点为基准，第一张波纹板定位，以此为起点向两侧延伸，直至两端。

板件环向搭接的重叠部分边缘至最外缘螺栓孔距离应大于50mm，第二张板叠在（搭接部分）第一张板上面，对正连接孔。

螺栓的螺纹部分涂上润滑剂，套上垫圈由内向外插入孔位，对面套上垫圈旋止螺母，用套筒扳手预紧螺母。

③拼装环形圈：由下向上顺次拼装。

轴向搭接宽度为120mm，搭接部分上板覆盖下板，圆周向连接采用阶梯形，即上面两块板的连接叠缝与下面两块板的叠缝错位，连接孔对正后，用涂上润滑剂的螺栓，套上垫圈（遇谷用凸垫，遇峰用凹垫，不得装反）由内向外插入孔位，用套筒扳手预紧螺母。

④圆周向拼装满三波纹板时，要测定一次截面形状，达到标准后才能继续拼装，达不到标准应及时调整。

圆周向拼装到环形圈合拢时，测定截面形状，采用定位杆固定，调整预紧螺栓，拼装顶部第一块波纹板。

⑤管涵拼装全部完成，用定扭电动扳手，按预紧力扭矩340N.m±
70N.m紧固所有螺栓，依次序不得遗漏，紧固后底螺栓用红漆标示，所有螺栓（包括纵向和环向接缝）应在回填前拧紧，保证波纹的重叠部分紧密地嵌套在一起。

⑥为保证达到螺栓扭矩的要求值，在回填前随机抽取结构上纵缝2%的螺栓，用定扭扳手，定预紧力扭矩340N.m±70N.m进行抽检试验。

如果有一任意试验值超过了给定的扭矩范围，则应抽检纵向和环向接缝所有螺栓的5%。

如果上述试验90%以上满足要求，则认定安装是合格的，否则应重新复核，以确定扭矩值是否满足要求。

⑦波纹钢管板涵外圈搭接处用预紧力扭矩符合要求后，用专用密封胶或环氧树脂砂浆封填，以防波纹板连接处渗水。

⑧拼装波纹管时，下游块件的端头必须在上游块件之下，以防管内流水渗入接缝而将地基淘空，破坏管涵。

⑨待整个管涵安装完毕后，用千斤顶校正整道涵管，使其中心在所规定的中心线上。

⑩管壁内外防腐防渗处理：在镀锌基础上可采用喷涂沥青等非金属覆盖层，在管壁内外涂沥青两道，沥青涂层的厚度要达到
0.5mm~1mm,涂层应均匀光滑、连续，无肉眼可分辨的孔隙、裂缝、脱皮及其他缺陷。

4、管涵回填土的施工
4.1、结构两侧回填应对称施工，分层回填，填土的材料宜砾类土、砂类土、或砾、卵石与细粒土的混合料，每层厚150 ~200mm。

在距波形钢管0.3m的范围内的填土中，不得含有尺寸超过80mm的石块、
混凝土块、冻土块、高塑性黏土块或其他有害腐蚀材料。

4.2、对有端部挡墙的情况，从两端向结构的中心回填，对没有端部挡墙的情况，从结构的中心向两端进行回填。

4.3、管底两侧楔形部位处可采用粗砂或灰土，用水密法震荡器振实或人工用木棒在管身外向内侧进行夯实，木棒作用点必须紧贴管身，结构近处用机械夯实。

涵洞两侧回填采用振动压路机压实，压实度不小于规范要求。

4.4、管顶填土前，对直径1.25m及以上的波形钢管涵，宜在管内设置一排竖向临时支撑；对直径大于2.0m的波形钢管涵，宜在管设置竖向和横向十字临时支撑，防止其在填土过程中产生变形。

管内的临时支撑应填土不再下沉后方可拆除。

4.5、管顶填土厚度小于50cm时采用轻型手扶振动压路机压实，压实度小于规范要求。

当涵管顶填土大于80cm，方可采用压路机施工，每层厚度20cm，压实度不小于规范要求。

4.6、管顶填土的最小厚度应满足JTG/T F50－2011《公路桥涵施工技术规范》的相应规定后，方可允许车辆通行。

5、洞口处理
洞口采用端墙型式或与路基边坡同坡率的八字墙斜口形式，洞口铺砌及护坡防护为M7.5浆砌片石。

涵洞为正交时，对进出口处的端节，其外端面应与涵轴线垂直且平整。

当涵洞为斜交时（斜交角度小于或等于20度），可将端节波形钢管的外面切割成与路线中线平行的斜面，但斜切坡度不宜超过2：1，并采用直径不小于20 mm的螺栓，按不大
于500mm的间距，将管节与端墙墙体予以锚固；斜交角度大于20度时，设置方式应符合设计规定。

四、钢波纹管涵洞效益及推广价值
（一）、公路钢筋砼构造物与钢波纹管涵造价比较
由于建材单价、施工费用等存在地区差异，受运距等各方面因素的影响，以下内容仅供参考。

从施工期看，一般波纹管涵洞施工期仅为3～20天，相比钢筋混凝土盖板涵、箱涵，节省工期1个多月，社会经济效益明显。

不但节省工期及降低成本，而且可以相对延长施工季节，加快工程总进度，提前保证通车时间，产生的效益是非常显著的。

现有许多工程项目中应用钢波纹管，采用缩减跨径的方法，无论从造价还是工期上波纹管都有其他圬工构造物无法比拟的优越性。

（二）、推广价值
1、钢波纹管涵在公路上主要用于横穿道路的涵洞排水用暗渠、行人车辆通道、渗水井等。

钢波纹管涵具有重量轻，运输方便，施工简单，施工工期短，变形性能好等优点，波纹涵管的设计使用年限为
100年。

2、在煤矿采空区修建的公路，由于地下采空可造成地面不同程度的下降，产生不均匀沉降，对一般水泥构造物产生不同程度的破坏，钢波纹管涵是一种柔性结构，波纹管在结构上具有横向补偿位移的优良特性，可充分发挥钢材抗拉性能强，变形性能优越的特点，具有较大的抗变形和抗沉降能力，特别适合于软土，膨胀土地，湿陷性黄土地基承载力较低地区和地震多发地区。

3、金属波纹管涵施工简单且施工工期短；金属波纹管涵施工时对环境的破坏小，适用于生态环境脆弱的地区；金属波纹管代替钢筋混凝土进行涵洞施工有利于解决北方寒冷地区冬季管涵混凝土结构
的破坏问题；
4、金属波纹管涵施工只需对基础和进出口进行处理，砂、石材料用量小，故适用于砂、石材料缺乏的地区；
5、金属波纹管涵施工只需很少的人工，故适用于在劳动力缺乏地区；
6、由于采用标准化设计、生产，设计简单，生产不受环境影响，进行集中工厂化生产，生产周期短，故适用于质量要求高、工期紧的工程项目；
7、金属波纹管的技术参数（壁厚、波形）可根据填土高度进行调整，故适合于深浅填土地区。

五、工程实例
1、国道107线改建工程花窝桥
花窝桥位于107国道K601+235，原花窝桥为3×6米石拱桥，为过水桥梁，原桥损坏严重，不能继续使用，按设计要求该桥需拆除重建；由于该涵洞位于107国道，交通量大，涵洞常年流水，地基软弱，为缩短工期，保障通行安全和工程质量安全，新建涵洞设计为2×4m波纹钢管涵，地基为膨胀土，承载力0.14MPa，为提高承载力，基础为100cm砂砾石，管壁厚6.5mm，波距×波高为200mm×55mm，涵顶填土高度4米。

波纹钢管安装15天，回填15天，施工工期约45天。

波纹钢管每孔延米造价约12000元（包括波纹管件成品及运输安装费用）。

2、京港澳高速鹤壁市新老区连接线快速通道北延二期工程，
K25+140波纹管钢涵洞为2-4米，管壁厚6.5mm，钢管内径4.0米。

该涵洞位于山岭重丘区，属路基高填方路段。

该钢波纹涵洞是为方便泄洪和当地百姓灌溉农田所用，涵长达90米，涵顶填土20米。

由于工期
紧任务重，采用钢波纹管涵。

2011年12月修建。

基础础垫层只需换填一定厚度的砂砾，密实度达到95%即可安装涵管。

在施工中，波纹涵管的诸多优点在使用中得到了很好的体现，与混凝土构造物相比，使用波纹涵管工序简单，安装方便快捷。

波纹钢管安装施工工期为30天。

目前项目已建成通车，调查发现，涵顶路面平整，行车舒适，接缝处密封材料良好，有部分涵管沥青涂层的质量一般，涵管镀锌层良好。

3、京港澳高速鹤壁市新老区连接线快速通道北延二期工程，
K26+356波纹管钢涵洞2-4米，管壁厚6.5mm，钢管内径4.0米。

涵长,75.85米，涵顶填土高度15.6米。

2012年2月修建。